JP6262863B2 - 電子的較正部を有するアナログプロセス変数送信器 - Google Patents

Description

本発明は、産業的プロセスの制御及び監視において用いられるタイプのアナログプロセス変数送信器に関する。より具体的には、本発明はそのようなアナログ送信器の較正部に関する。

２線式送信器は、産業的プロセス制御システムにおいて広範な使用を見出している。２線式送信器は、電源及び負荷が一緒に電流ループ部内で接続された１対の終端部を含んでいる。２線式送信器は、電流ループ部を通して流れるループ電流によって電力を供給され、そしてパラメータ又は感知された状態の関数として該ループ電流の大きさを変化させうる。一般に送信器は、エネルギーを供給された電気回路を備え、それは密封されたハウジングに囲まれ、該ハウジング内では、失敗による又はネルギー供給された電気回路からの火花による何らかの可燃環境の点火が含まれている。

多様な動作範囲が可能であるけれども、１つの幅広く用いられている２線式送信器出力は、感知されたプロセス変数の関数として４から２０ミリアンペア（ｍＡ）まで変化する。２線式送信器では、感知されたパラメータの最小又はゼロ値が、最小出力、例えば４ミリアンペアのループ電流に対応するように、そして感知されるべき最大パラメータが、最大出力（例えば２０ミリアンペア）に対応するように、送信器出力の調整を行うことは一般的である。これはゼロ調整又はスパン調整と呼ばれている。

最小及び最大のパラメータ値は、１つの産業的プロセス設備から別の設備へ変わると変化するであろう。従って、フィールドにおいて最大及び最小の出力レベルを設定（較正）するための何らかの手段を提供することが望ましい。アナログ回路を用いて実装された送信器において、このことは一般的には、ハウジング内に密封された、電気的にエネルギー供給されたゼロポテンショメータ及びスパンポテンショメータで行われる。幾つかの送信器においては、ポテンショメータへ接近するために、ハウジングカバーが取り外されなければならない。これは、送信器内の生きている回路へ該送信器を囲む大気を曝すことである。しかし技術の多様性は、該送信器の電気的に生きた回路から、送信器を囲む潜在的に爆発的な環境を封止しつつ、ポテンショメータを調整するのに利用可能である。幾つかの送信器において、ポテンショメータを調整するための回転調整シャフトは、炎がハウジングを囲む大気に到達する前に該ハウジング内部で点火を消すために、長い炎経路を備えるようにハウジングの穴を通して密接にフィットされている。別の配設において、ポテンショメータは、相対的に大きな棒磁石を機械的に結合され、該磁石は、その後、生きた回路の囲いの外側の別の棒磁石によって磁気的に回転される。棒磁石を有するこの配設は、精確なスパン及びゼロ設定を困難にする機械的ヒステリシスという欠点を有しうる。作動されたスイッチはまた、送信器におけるスパン及びゼロ設定のために用いられ、そのようなスイッチは、該スイッチへの機械的結合のために備えられた、送信器のハウジング壁を通る開口部を要求する。

このようにして、送信器ハウジング内に密封されたポテンショメータのゼロ及びスパン調整は、通常は困難である。起こりうる漏洩経路は封止されなければならず、そしてこれは特に潜水艦の核環境において動作しなければならないプロセス変数送信器において問題でありうる。

プロセス変数を測定するためのプロセス変数送信器は、プロセス変数を感知するよう構成されたプロセス変数センサを含み、且つセンサ出力を備える。測定回路は、該センサ出力を受信し、且つ該プロセス変数に関する測定された出力を提供する。出力回路は、該測定された出力に基づいて、２線式プロセス制御ループ部にデバイス出力を提供する。該出力回路は、調整可能アナログ回路構成要素の機能である伝達関数を有している。モータ駆動の作動器は、該調整可能アナログ回路構成要素を調整するように構成され、それにより該出力回路の伝達関数を変える。任意的な較正制御部はまた、備えられる。

産業的プロセスを監視及び制御するためのシステムの１実施例を示す簡単化された略図である。 １実施態様によるスパン及びゼロ調整を遂行するために用いられた電気的に制御された作動器を含む産業的プロセス変数送信器の簡単化された概略のブロック線図である。 構成制御器に接続された、図２の電気的に制御されたスパン及びゼロ作動器を示す簡単化された電気的な概略図である。 プロセス変数送信器の別の実施態様の斜視図である。

プロセス変数送信器が、アナログ回路を用いて実装される必要のある多くの例がある。アナログ回路で実装されるプロセス変数送信器の欠点の一つは、それらが、調整可能なアナログ回路構成要素、例えばスパン可変抵抗器及びゼロ可変抵抗器（「ポッツ」又は複数のポテンショメータ）、を用いて手動で較正される必要があることである。従来技術の構成の幾つかにおいて、これらポテンショメータは、送信器の電子的ハウジングを通過して突出しているネジを用いてアクセスされる。これは、サイズ、電子機器の位置、及びハウジングを通過する潜在的な漏洩経路に関して、送信器構成に追加的な設計上の制約を加える。

本発明の１の説明的な例において、アナログプロセス変数送信器が、送信器ハウジングの開口部を通してアクセスされる必要のない調整可能アナログ回路構成要素を用いて実装されている。特定の例において、電気的に制御された較正技術は、送信器ハウジング内のポテンショメータを調整するために用いられる。例えば、内部モータがポテンショメータを調整するために用いられうる。そのような構成はまた、プロセス変数送信器の較正が、遠隔的に、及び／又は、較正用ソフトウェアを用いて実行されることを可能にする。更に、そのような電子的に制御された較正は、設計上の制約を減らし、そして溶接されコンパクトな囲いの中に電子機器の全てを完全に囲う能力のあるアーキテクチャの実装を可能にする。これはまた、電気的構成要素の最適化に関して高信頼性を可能にし、且つ振動及び地震活動に対して送信器の頑健性を改良する。

図１は、産業的プロセス制御器監視設備１００を示す簡単化された例示の概略図であり、その中で、プロセス変数送信器１０２が、プロセスパイプ１０４に結合されている。プロセス変数送信器１０２は、プロセスパイプ１０４内のプロセス流体のプロセス変数を感知するのに用いられるプロセス変数センサ（図１には示されていない）を含んでいる。プロセス変数の例は、圧力、温度、速度、濁度、水準、ｐＨなどを含む。

感知されたプロセス変数に基づいて、該プロセス変数送信器１０２は、２線式プロセス制御ループ部１０８を用いて遠隔位置、例えば中央制御室１０６と通信する。該制御室１０６は、抵抗器１０６Ａ及び電源１０６Ｂとして簡略化された仕方で表示されている。２線式プロセス制御ループ部１０８は、プロセス変数送信器１０２からの通信を伝えることはもちろん、プロセス変数送信器１０２へ電力を供給するように構成されている。（しかし電力はまた別の手段により分配されうる）。１実施態様において、プロセス制御ループ部１０８上の電流レベルは、感知されたプロセス変数の代表値である。例えば、４〜４０ｍＡの電流ループ部が実装され得、そこでは４ｍＡ電流レベルは、ゼロ読み取りを示し、そして２０ｍＡ電流レベルは、フルスケール読み取りを示している。電流レベルを正確に読み取るために、出力電流の「ゼロ」及び「スパン」は、較正手続を通して設定されなければならない。ゼロ設定は、４ｍＡ出力をもたらすであろうプロセス変数読取りに対応し、そしてスパン設定は、感知されたプロセス変数の最大範囲に関係する。それにより最大の感知プロセス変数値は、プロセス制御ループ部１０８上に２０ｍＡの電流レベルをもたらすであろう。「背景技術」において議論されたように、アナログタイプのプロセス変数送信器におけるそのようなゼロおよびスパン設定は、該プロセス変数送信器１０２のハウジング１１０を貫く開口部を用いて調整されうる。

図１はまた、配線１１８を通して該プロセス変数送信器１０２と結合された較正制御器１２０の１の実施態様を示している。以下でより詳しく説明されるように、較正制御器１２０は、ゼロ調整スイッチ１２２、スパン調整スイッチ１２４、及びモータ速度制御部１２６を含んでいる。これらスイッチ１２２及び１２４は、送信器１０２内のモータ（図１には示されていない）にエネルギーを供給するために用いられ、これらスイッチは、該送信器１０２からの電流出力の該ゼロ及びスパン設定を夫々制御する。さらに、モータ速度制御部１２６は、内部調整モータが動作するその正又は逆方向を含む速度の割合を調整するために用いられる。較正制御器１２０は、プロセス変数送信器１０２に一時的に結合され得、且つ例えば該送信器１０２のインストール及び委託中に、サービス員によって操作されうる。別の図示された構成において、スイッチ１２２及び１２４は、正、切、及び逆位置を有する３位置スイッチである。そのような構成において、モータ速度制御部１２６は、モータの方向を逆転する能力を必要としない。

図２は、図１に示されたプロセス変数送信器１０２の簡単化されたブロック線図である。プロセス変数送信器１０２は、プロセス変数センサ１４０を含んでいる。図２の実施態様の例において、センサ１４０は、加えられた圧力Ｐ_１とＰ_２の間の圧力差を感知するように構成された差分圧力センサとして構成されている。そのような差分圧力は、例えば、図１に示されたプロセスパイプ１０４を通るプロセス流体の流速に関連させられ得る。測定回路１４２は、プロセス変数センサ１４０へ結合するところの、発信器及び発信器制御器１４４及び１４６を含んでいる。公知の技術によると、プロセス変数センサは、加えられた圧力Ｐ_１及びＰ_２に応答して変わるキャパシタンスを含みうる。発信器１４４の周波数は、感知された圧力に関係付けられ得て、測定回路出力として出力回路１５０へ提供されうる。出力回路１５０は、２線式プロセス制御ループ部１０８を通って流れる電流Ｉを測定回路出力に基づいて制御するところの電流制御回路１５２を含んでいる。ゼロ及びスパン調整回路１５６は、出力回路１５０の伝達関数を制御し、且つ夫々のゼロ作動器モータ１６０及びスパン作動器モータ１６２によって操作されるところのポテンショメータ１９０、１９２（図３に示される）として図示された調整可能アナログ回路構成要素を含んでいる。ゼロ及びスパン調整回路は、出力回路１５０の伝達関数を変え、且つプロセス制御ループ部１０８へ加えられた電流が、どのように測定回路出力に関連させられているかを制御する。スパン及びゼロのみが具体的に示されているが、伝達関数の任意の局面が、例えば、電流ループ部１０８へ供給されるような測定されたプロセス変数のダンピングを含むこの技術を用いて調整されうる。電圧調整器１５８は、プロセス制御ループ部１０８から引き出された電力を用いて測定回路１４２及び出力回路１５０に電力を供給するように構成されている。

図２に示されたように、ハウジング１１０は、内部隔壁１７０等によって分割された内部区画を備え、それによって空洞１７２が外部プロセス環境から切り離される。プロセス制御ループ部１０８を接続するための電気的接続は、隔壁１７０を通して設けられる。付加的なゼロ及びスパン接続は、図１に示された較正制御器１２０の配線１１８へ結合するために設けられる。端末ブロックアセンブリ１６８は、出力回路１５０をプロセス制御ループ部１０８に結合するための、および較正制御器１２０をゼロ作動器モータ１６０及びスパン作動器モータ１６２へ電気的に接続するためのコネクタを夫々持っている。これら接続は、例えば、ねじ端子、プラグアダプタ等を備えている。これは、内部モータが、送信器に対して密封的に封止されたコネクタインタフェースを通して電気的に制御されることを可能にする。一般的に、ゼロ及びスパン調整が実行された後、較正制御器１２０は、該プロセス変数送信器１０２及び端末ブロックアセンブリ１６８から切り離される。

図３は、配線１１８を通して複数のモータ（モータ化された作動器）１６０及び１６２に結合された較正制御器１２０を示す簡単化されたブロック線図である。配線１１８は、２つの個々の線として示されているけれども、任意の数の配線が、モータ化された作動器１６０及び１６２に結合するため使われうる。図３に示されたように、較正制御器１２０は、任意的な電源１８２によって電力供給されるところのモータ駆動回路１８０を含んでいる。モータ駆動回路１８０は、スパン選択回路１８４及びゼロ選択回路１８６へのモータ駆動出力を備えている。スパン及びゼロ選択回路１８４、１８６は、スイッチ１２２及び１２４を夫々用いる操作者によって選択される。

操作の間、操作者は、速度制御部１２６を用いて所望の速度を選択することにより、及びスイッチ１２２、１２４を用いて作動されるべき所望のモータ化された作動器１６０，１６２を夫々選択することにより、較正制御器１２０を制御する。これは、複数のモータ化された作動器１６０、１６２の１つ又は両方に回転を引き起こし、それによりゼロポテンショメータ１９０及びスパンポテンショメータ１９２を夫々調整する。典型的には、ポテンショメータは、抵抗を変えるところの摺動可能な接点へ結合されたシャフトを回転させることによって調整される。しかし、直線スライダが採用されているところの直線的に作動させられるポテンショメータを含む任意のポテンショメータ構成が用いられうる。該送信器１０２を較正するために、操作者は、ループ部１０８を通る電流の流れを監視し得、一方、ポテンショメータ１９０、１９２は、望ましいループ電流レベルを得るように調整される。例えば、ゼロ又は低い流れの条件が、図２に示された該プロセス変数センサ１４０に加えられえ、そしてループ部１０８を通る該電流の流れは、最小レベル、例えば４ｍＡへ調整さるうる。同様の調整が、最大プロセス変数測定が該ループ部１０８上に２０ｍＡの電流レベルをもたらすように電流レベルのスパンを調整するために実行されうる。

作動器モータ１６０及び１６２は、任意の適切な技術に従いうる。モータは、印加されたＡＣ又はＤＣ信号に基づいて作動しうる。そしてモータはまた、ポテンショメータ１９０、１９２の精細な制御のために任意的なギア機構を含みうる。内部制御又はフィードバック機構は、より精確な制御のためのサーボモータ構成を設けるために採用されうる。別の具体的な例として、ＤＣギアモータが、低いＲＰＭ速度で、例えば３〜５ＲＰＭの間で実装されうる。モータ化された作動器の構成の別の例は、ステップモータ型構成又は回転ソレノイドを含んでいる。しかし、本発明はこれらの構成に限定されるものではない。

図３はまた、該プロセス制御ループ部１０８に結合された較正制御器１２０内の任意的な電流感知回路２００を示している。これは、例えば分岐接続を用いることでありえ、そこにおいて、電圧レベルが該ループ電流を運ぶ電気的分岐を横断して測定される。該電流感知回路２００は、ディスプレイを含みえて、それにより操作者は、該プロセス制御ループ部を通して流れる電流レベルを観測できる。別の実施態様の例において、該電流感知回路２００は、自動的に該ゼロ及びスパン調整を実行するのに用いるための自動調整回路を含んでいる。そのような構成は、例えば該較正制御器１２０内のマイクロプロセッサ等の中に実装されうる。これら構成要素は、任意的な構成要素２０２として示されている。そのような任意的な構成要素は、ディスプレイ回路、デジタル処理回路、例えばマイクロプロセッサ、デジタル‐アナログ又はアナログ‐デジタル変換回路、メモリなどを含んでいる。更に、幾つかの較正手続は、完了するために延長された期間を要するので、そのような自動化された較正過程は、直接の操作者の監視及び制御を要しないよう望まれうる。ソフトウェア制御を採用する構成はまた、より精確かつ繰返可能な較正を可能にしうる。該構成は、送信器が、例えば携帯用デバイスを用いて遠隔的に較正されることを可能にする。十分に長い配線１１８で、送信器１０２は、例えアクセスできない又は他の望ましくない場所、例えば水面下領域、高温領域、放射能領域、高い領域、汚水領域などに配置されているときでも、較正されうる。

別の実施例において、プロセス制御ループ部１０８への任意的な接続は、較正制御器１２０の回路へ電力を供給するために用いられる。そのような構成において、モータ化された作動器１６０、１６２は、プロセス制御ループ部１０８から受けられた電力で電力供給される。

別の構成の例において、較正制御器１２０は、プロセス変数送信器１０２へ電力を供給するために任意的な電源１８２を用いる。そのような構成において、電力は、該プロセス制御ループ部１０８へ結合するために用いられる端末ブロックコネクタ１６８へ供給され、それにより局所プロセス変数ループ部は、該任意的な電源１８２と該電源１８２内に含まれうる負荷抵抗とによって供給される。これは、該プロセス変数送信器１０２の該スパン及びゼロが、プロセス制御室１０６へ結合されるべき送信器１０２を要することなく較正されることを可能にする。

従来技術の該ゼロ及びスパン調整ねじを除去することによって、該送信器１０２の新たな設計構成が可能である。例えば、完全に囲まれた送信器１０２が製作され得、それは信頼性を最適化する。そのような構成は、完全に潜水可能であり且つ環境ガスが電子ハウジングに入るのを防止する能力を提供し、それによって該送信器の特性を増進する。そのような構成はまた、該送信器のサイズを減少させ、且つ該内部の電子機器及び他の構成要素の構成においてより大きな自由度を許容する。

図４は、プロセス変数送信器２２０の１つの例示的設計構成を示しており、それは、外部からアクセスしうる調整ねじの必要性が一度除去されると実装されうる。図４において、プロセス変数送信器２２０は、細長い管２２２の形状の信号囲いとして製作される。該管２２２の１端部は、プロセス接続部２２４を含み、一方、該管２２２の他端部は、電気的接続部２２６を含んでいる。該電気的接続部２２６は、較正制御器１２０へ結合するために用いられることは勿論、プロセス制御ループ部１０８に結合するために用いられる。

本発明は、好ましい実施態様を参照しつつ記載されてきたが、当業者は、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、形状及び細部において変更がなされうることを認識しているであろう。ここで議論されたポテンショメータは、調整可能アナログ回路構成要素の１例である。しかし本発明はポテンショメータの調整に限定されない。較正制御器１２０とフィールドデバイス１０２の間の接続１１８は、両方向通信のための配線を含みうる。例えば、モータ化された作動器１６０，１６２の位置に関連する位置情報及びそれら個々のポテンショメータ１９０、１９２が備えられ得る。配線１１８の該端末ブロックアセンブリ１６８への接続は、例えば端子ねじ接続、プラグ接続などを通してでありうる。一般的には、該接続は、一時的な性質のものであり、それにより該配線１１８は、較正手続が一度完了すると切り離される。ここで記載された該モータは、モータ化された作動器の１例に過ぎず、別の構成が採用されてもよい。電流レベル出力が記載されているけれども、デバイス出力の任意のタイプが提供され得、そこにおいては該出力回路伝達関数が該デバイス出力を制御する。

Claims (21)

1. プロセス変数を測定するためのプロセス変数送信器であって、
   プロセス変数を感知し且つセンサ出力を提供するように構成されたプロセス変数センサ；
   該センサ出力を受信し且つ該プロセス変数に関連する測定出力を提供するように構成された測定回路；
   該測定出力に基づいて２線式プロセス制御ループ部にデバイス出力を提供するように構成された出力回路、ここで該出力回路は、調整可能アナログ回路構成要素の関数であるところの伝達関数を有している；
   該調整可能アナログ回路構成要素を調整するよう構成されたモータ化された作動器であって、それによって該出力回路の該伝達関数を変化させるもの；及び
   該デバイス出力を感知するように構成された電流感知回路を含み、該プロセス変数送信器へ電気的に結合し、且つ、該感知された該デバイス出力の電流に基づいて、該モータ化された作動器に最大及び最小の出力レベルの設定をするように制御する較正制御器
   を備えている、
   上記プロセス変数送信器。
2. 該調整可能アナログ回路構成要素は、ポテンショメータを備えている、請求項１に記載のプロセス変数送信器。
3. 該調整可能アナログ回路は、該デバイス出力のゼロ設定を調整する、請求項１に記載のプロセス変数送信器。
4. 該調整可能アナログ回路は、該デバイス出力のスパン設定を調整する、請求項１に記載のプロセス変数送信器。
5. 送信器ハウジングを含んでいる、ここで、該測定回路及び出力回路は、該送信器ハウジング内の密閉封止環境に配置されている、請求項１に記載のプロセス変数送信器。
6. 該ハウジングは隔壁を含み、且つ該送信器出力は、該隔壁を通して延在するところの電気的接続を通して提供されている、請求項５に記載のプロセス変数送信器。
7. 該ハウジングは隔壁を含み且つ、該モータ化された作動器への電気的接続は、該隔壁を通して延在している、請求項５に記載のプロセス変数送信器。
8. 該モータ化された作動器はＤＣギアモータを備えている、請求項１に記載のプロセス変数送信器。
9. 該デバイス出力は、電流レベルを備えている、請求項１に記載のプロセス変数送信器。
10. 請求項１に記載のプロセス変数送信器を構成する較正制御器であって、
    該デバイス出力を感知するように構成された電流感知回路を含み、該プロセス変数送信器へ電気的に結合し、且つ、該感知された該デバイス出力の電流に基づいて、該モータ化された作動器に最大及び最小の出力レベルの設定をするように制御する較正制御器。
11. モータ駆動制御を含んでいる、請求項１０に記載の較正制御器。
12. 該プロセス変数送信器へ電力を供給するよう構成された任意的な電源を含んでいる、請求項１０に記載の較正制御器。
13. 該較正制御器の回路は、該２線式プロセス制御ループ部から受けた電力によって電力供給されている、請求項１０に記載の較正制御器。
14. プロセス変数を測定するために用いられたタイプのプロセス変数送信器を較正する方法であって、
    プロセス変数センサでプロセス変数を感知すること、
    該感知されたプロセス変数を測定すること、
    該測定されたプロセス変数及び出力回路の伝達関数に基づいて２線式プロセス制御ループ部上にデバイス出力を提供すること、
    該出力回路の調整可能アナログ回路構成要素を調整するところのモータ化された作動器を用いて該出力回路の該伝達関数を変化させること、
    該デバイス出力を感知するように構成された電流感知回路を含む較正制御器を、該プロセス変数送信器へ電気的に結合すること、及び
    該感知された該デバイス出力の電流に基づいて、該モータ化された作動器に最大及び最小の出力レベルの設定をするように該較正制御器を制御すること、
    を包含している、
    上記方法。
15. 該調整可能アナログ回路構成要素は、ポテンショメータを備えている、請求項１４に記載の方法。
16. 該調整可能アナログ回路構成要素は、該デバイス出力のゼロ又はスパン設定を調整する、請求項１４に記載の方法。
17. 該伝達関数を変えることは、該モータ化された作動器に較正制御器でエネルギーを供給することを含んでいる、請求項１４に記載の方法。
18. 該プロセス変数送信器に電力を供給することを含んでいる、請求項１４に記載の方法。
19. 該デバイス出力を感知することを含んでいる、請求項１４に記載の方法。
20. 該感知された電流に基づいて該モータ化された作動器を制御することを含んでいる、請求項１９に記載の方法。
21. 該デバイス出力は電流レベルを備えている、請求項１４に記載の方法。

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